Dầu gốc
Dầu gốc là dầu thu được sau quá trình chế biến, xử lý tổng hợp bằng các quá trình xử lý vật lý và hóa học. Dầu gốc thông thường gồm có ba loại là:
Dầu thực vật
Dầu khoáng
Dầu tổng hợp
Dầu thực vật chỉ dùng trong một số trường hợp đặc biệt. Nó chủ yếu là phối trộn với dầu khoáng hoặc dầu tổng hợp để đạt được một số chức năng nhất định. Nhưng ngày nay người ta thường sử dụng dầu khoáng hay dầu tổng hợp là chủ yếu. Với tính chất ưu việt như giá thành rẻ, sản phẩm đa dạng và phong phú, dầu khoáng đã chiếm một vị trí quan trọng trong lĩnh vực sản xuất dầu nhờn, nhưng dầu tổng hợp cũng được quan tâm nhiều bởi tính chất ưu việt của nó.
Dầu gốc khoáng
Trước đây, thông thường người ta dùng phân đoạn cặn mazut là nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc. Nhưng về sau này khi ngành công nghiệp nặng và chế tạo máy móc phát triển, đòi hỏi lượng dầu nhờn ngày càng cao và chủng loại ngày càng phong phú cũng như tiêu chuẩn về chất lượng ngày càng cao, nên người ta đã nghiên cứu tận dụng phần cặn của quá trình chưng cất chân không có tên gọi là cặn gudron làm nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn gốc có độ nhớt cao. Tóm lại nguyên liệu chính để sản xuất dầu nhờn gốc là cặn mazut và gudron.
Cặn mazut
Mazut là phần cặn của quá trình chưng cất khí quyển có nhiệt độ sôi cao hơn 350°C. Phần cặn này có thể đem đi đốt hoặc làm nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn gốc. Với mục đích sản xuất dầu nhờn gốc thì ta đi đem chưng cất chân không, ta thu được phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau:
Phân đoạn dầu nhờn nhẹ ( LVGO: Light Vacuum Gas Oil ) có nhiệt độ sôi từ 300°C - 350°C.
Phân đoạn dầu nhờn trung bình ( MVGO: Medium Vacuum Gas Oil ) có nhiệt độ từ 350°C - 420°C.
Phân đoạn dầu nhờn nặng ( HVGO: Heavy Vacuum Gas Oil ) có nhiệt độ từ 420°C - 500°C.
Thành phần của các phân đoạn này gồm những nguyên tử hydrocacbon có số cacbon trong phân tử từ C21-40, những hydrocacbon trong phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn ( 1000 – 10000), cấu trúc phức tạp, bao gồm:
Các parafin mạch thẳng và mạch nhánh.
Các hydrocacbon napten đơn hay đa vòng thường có gắn nhánh phụ là các parafin.
Các hydrocacbon thơm đơn hay đa vòng chủ yếu chứa mạch nhánh ankyl, nhưng chủ yếu là 1 đến 3 vòng.
Các hợp chất lai hợp mà chủ yếu là lai hợp giữa napten và paraffin, giữa napten và hydrocacbon thơm.
Các hợp chất phi hydrocacbon như các hợp chất chứa các nguyên tố oxy, nitơ, lưu huỳnh cũng chiếm phần lớn trong phân đoạn dầu nhờn. Các hợp chất chứa kim loại cũng gặp trong phân đoạn này.
Cặn gudron
Cặn gudron là phần cặn còn lại của quá trình chưng cất chân không, có nhiệt độ sôi trên 500°C. Trong phần này tập trung các cấu tử có số nguyên tử cacbon từ C41 trở lên, thậm chí có cả C80, có trọng lượng phân tử lớn, có cấu trúc phức tạp. Do đó người ta không chia thành phần của phân đoạn này theo từng hợp chất riêng biệt mà người ta phân làm ba nhóm như sau:
Nhóm chất dầu:
Nhóm chất dầu bao gồm các hydrocacbon có phân tử lượng lớn, tập trung nhiều các hợp chất thơm có độ ngưng tụ cao, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng giữa hydrocacbon thơm và napten, đây là nhóm chất nhẹ nhất có tỷ trọng xấp xỉ bằng 1.
Nhóm chất này hòa tan được các dung môi nhẹ như paraffin và xăng, nhưng người ta không thể tách nó bằng các chất như silicagen hay là than hoạt tính vì đây là những hợp chất không có cực. Trong phân đoạn cặn gudron, nhóm dầu chiếm khoảng 45 – 46%.
Nhóm chất nhựa:
Nhóm chất nhựa ở dạng, gồm hai thành phần, đó là các chất trung tính và axit.
Các chất trung tính có màu nâu hoặc đen, nhiệt độ hóa mềm nhỏ hơn 100°C, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ dàng hòa tan trong xăng, naphta. Chất trung tính tạo cho nhựa có tính dẻo dai và tính kết dính. Hàm lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ kéo dài của nhựa, chiếm khoảng 10 – 15% khối lượng cặn gudron.
Các chất axit là chất có nhóm-COOH, màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ dàng hòa tan trong clorofom và rượu etylic, chất axit tạo cho nhựa có tính hoạt động bề mặt, chiếm 1% trong cặn dầu mỏ.
Nhóm nhựa hòa tan được trong các dung môi như nhóm dầu nhưng nó là hợp chất có cực nên có thể tách ra bằng các chất như than hoạt tính hay silicagen.
Nhóm asphanten:
Nhóm asphanten là nhóm chất rắn màu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1, chứa hầu hết hợp chất dị vòng có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon disunfua (CS2), nhưng không hòa tan trong các dung môi nhẹ như parafin hay xăng, ở 300°C không bị nóng chảy mà bị cháy thành tro.
Trong quá trình thì nhóm dầu, nhựa, asphanten tồn tại ở trạng thái hệ keo, trong đó nhóm nhựa tan trong dầu tạo thành một dung dịch thật sự, người ta gọi là môi trường phân tán. Asphanten không tan trong nhóm dầu nên tồn tại ở trạng thái pha phân tán. Ngoài ba nhóm chất trên, trong cặn godron còn tồn tại các hợp chất cơ kim của kim loại nặng, các hợp chất cacbon, cacboit, các hợp chất này không tan trong các dung môi thông thường, chỉ tan trong pyridine.
Dầu nhờn tổng hợp
Dầu nhờn sản xuất từ dầu mỏ vẫn chiếm ưu thế do nó có những ưu điểm như: công nghệ sản xuất dầu đơn giản, giá thành rẻ. Nhưng ngày nay, để đáp ứng yêu cầu cao của dầu nhờn bôi trơn, người ta bắt đầu quan tâm đến dầu tổng hợp nhiều hơn.
Dầu tổng hợp là dầu được tạo ra bằng các phản ứng hóa học từ những hợp chất ban đầu, do đó nó có những tính chất được định ra trước. Nó có thể có những tính chất tốt nhất của dầu khoáng, bên cạnh nó còn có các tính chất khác đặc trưng như là: không cháy, không hòa tan lẫn trong nước.
Ưu điểm của dầu tổng hợp là có khoảng nhiệt độ hoạt động rộng từ -55°C đến 320°C, có độ bền nhiệt lớn, có nhiệt độ đông đặc thấp, chỉ số độ nhớt cao… Chính những ưu điểm này mà dầu tổng hợp ngày càng được sử dụng nhiều, nhất là trong các động cơ phản lực. Có hai phương pháp chính để phân loại dầu nhờn tổng hợp:
Phương pháp 1: dựa vào một số tính chất đặt thù để phân loại như: độ nhớt, khối lượng riêng.
Phương pháp 2: dựa vào bản chất của chúng.
Theo phương pháp 2 người ta chia dầu tổng hợp thành những loại chính sau:
Hydrocacbon tổng hợp
Ester hữu cơ
Poly glycol
Ester photphat
Bốn hợp chất chính này chiếm trên 40% lượng dầu tổng hợp tiêu thụ trên thực tế.
 Phụ gia cho dầu nhờn
Dầu nhờn thương phẩm để sử dụng cho mục đích bôi trơn là hỗn hợp của dầu gốc và phụ gia. Do đó, chất lượng của dầu bôi trơn ngoài sự phụ thuộc rất nhiều vào dầu gốc, nó còn phụ thuộc vào phụ gia.
Phụ gia là những hợp chất hữu cơ, vô cơ, thậm chí là những nguyên tố hóa học được thêm vào chất bôi trơn, nhằm nâng cao hay mang lại những tính chất mong muốn. Thông thường, hàm lượng phụ gia đưa vào là 0.01 – 5%, trong một số trường hợp phụ gia được dùng từ vài phần triệu cho đến vài phần trăm.
Ngày nay để đạt được các tính năng bôi trơn thì dầu có chứa nhiều phụ gia khác nhau. Chúng có thể được pha riêng lẻ vào dầu nhờn hoặc phối trộn lại với nhau để tạo thành một phụ gia đóng gói rồi mới đưa vào dầu nhờn.
Phụ gia là những hợp chất hoạt động, vì vậy khi tồn tại trong dầu nó có thể tác dụng với nhau và làm mất chức năng của dầu nhờn. Ngược lại, chúng cũng có thể tác động tương hỗ với nhau tạo ra một tính chất mới có lợi cho dầu nhờn, do đó việc phối trộn các phụ gia cần phải được nghiên cứu kỹ lưỡng để loại trừ những hiệu ứng đối kháng và nâng cao tính tác động tương hỗ. Sự tác động tương hỗ giữa phụ gia và dầu gốc cũng là một yếu tố cần được quan tâm khi sản xuất dầu nhờn.
Yêu cầu chung của một loại phụ gia:
Dễ hòa tan trong dầu.
Không hoặc ít hòa tan trong nước.
Không ảnh hưởng đến tốc độ nhũ hóa của dầu.
Không bị phân hủy bởi nước và kim loại.
Không bị bốc hơi ở điều kiện làm việc của hệ thống dầu nhờn.
Không làm tăng tính hút ẩm của dầu nhờn.
Hoạt tính có thể kiểm tra được.
Không độc, rẻ tiền, dễ kiếm.
Phụ gia được pha trộn vào dầu gốc
Phụ gia tăng chỉ số nhớt
Phụ gia được sử dụng để làm tăng chỉ số nhớt là các polymer tan được trong dầu có tác dụng tăng độ nhớt của dầu mỏ, nghĩa là làm cho tốc độ thay đổi độ nhớt của dầu theo nhiệt độ giảm đi ( tăng chỉ số độ nhớt ) cũng như để tạo ra các loại dầu mùa đông. Các phụ gia này được chia làm hai nhóm: dạng hydrocacbon và dạng ester.
Dạng hydrocacbon có các loại: copolymer etylen-Propylen, Polyizobutylen, copolymer stỷen- butadiene dơ hydro hóa, copolymer styrene-izopren.
Dạng ester gồm: polymetacrylat, polyacrylat và các copoly của ester styrenmaleic.
Các chất cải thiện chỉ số độ nhớt được sủ dụng rộng rãi nhất hiện nay là các polymer của etylen-propylen ( có thể lên đến 10%) và polyizobutylen ( hàm lượng nhỏ 0,2 – 0,5%).
Phụ gia chống oxy hóa
Phụ gia này nhằm mục đích nhằm mục đích làm chậm quá trình ôxy hóa của dầu ( tăng độ bền ôxy hóa), khắc phục hiện tượng cháy vòng găng, giảm bớt hiện tượng ăn mòn chi tiết và tạo cặn. Có hai nhóm phụ gia chống ôxy hóa:
Phụ gia kìm hãm quá trình ôxy hóa dầu ở một lớp dày ngay trong khối dầu: nhóm này quan trọng nhất là chất ức chế ôxy hóa, đó là các hợp chất có chứa nhóm phenol hay nhóm amin, cũng có thể chứa 2 nhóm đồng thời như các phenol có chứa nitơ hoặc lưu huỳnh, các kẽm di-ankyl di-thiophotphat (ZnDDP), các hợp chất của phốt pho, lưu huỳnh…. Các chất ức chế này có nồng độ thấp, khoảng 0,005 đến 0,5 %.
Phụ gia kìm hãm quá trình ôxy hóa dầu ở lớp mỏng trên bề mặt kim loại, đó là các chất thơm nhiệt, được pha với tỷ lệ 0,5 – 3%, chúng sẽ làm chậm quá trình ôxy hóa dầu ở lớp mỏng trên chi tiết động cơ ở nhiệt độ tương đối cao C), ngoài ra còn có tác dụng bảo vệ, chống rỉ cho ổ đỡ. Các chất thơm(200-300 nhiệt được dùng là các hợp chất hữu cơ có chứa phốt pho, lưu huỳnh, kẽm ( tri-butylaphotphit, di-tiophotphat kẽm…).
Các loại chất thơm nhiệt dường như là chất thơm quan trọng nhất vì khi động cơ ngừng hoạt động là lúc dầu nhừng tuần hoàn và khi đó chất thơm tẩy rửa cũng ngừng hoạt động còn chất thơm nhiệt thì ngược lại, sẽ hoạt động mạnh hơn, nó không cho lớp dầu mỏng trên các chi tiết chưa nguội có khả năng biến thành sạn.
Phụ gia tẩy rửa
Với nồng độ 2 – 10 %, các chất tẩy rửa có thể ngăn cản, loại trừ các cặn không tan trong dầu, cặn sạn, cacbon và các hợp chất chì trên các bộ phận của động cơ đốt trong. Chúng tác dụng bằng cách hấp thụ lên các hạt không tan, giữ chúng lại trong dầu nhằm giảm tối thiểu cặn lắng và giữ sạch các chi tiết của động cơ.
Tác nhân quan trọng nhất có tính tẩy rửa là các phụ gia có chứa kim loại, chúng bao gồm: sunphonat, phenolat, salixylat. Phần lớn sunphonat, phenolat và salixilat của canxi hoặc magiê được sử dụng như các chất tẩy rửa chứa kim loại.
Phụ gia phân tán
Dùng để ngăn ngừa, làm chậm quá trình tạo cặn và lắng đọng trong điều kiện hoạt động ở nhiệt độ thấp. Các phụ gia phân tán quan trọng nhất bao gồm:
Ankenyl-poly-amin-suxinimit.
Ankyl-hydrobenzyl-polyamin.
Este-polyhydroxy-suxinic.
Poly-aminamit-imidazolin.
Polyamine suxinimit.
Ester-photpholat.
Như vậy các chất phân tán được sử dụng đều có chứa các nhóm chức như amin, imít, amít hoặc các nhóm hydroxyl-ester nên các polymer như poly metacrylat cũng cho khả năng phân tán. Mặt khác, do chúng có tính nhớt (chất tăng chỉ số độ nhớt) nên chúng được sử dụng như các phụ gia phân tán nhiều tác dụng.
Lượng chất phân tán được sử dụng nói chung phụ thuộc vào lượng chất rắn cần phải phân tán trong dầu và thường là chiếm từ 0,1 đến 2%. Các dầu bôi trơn cacte chất lượng hàng đầu hiện nay có chứa tới 8% các phụ gia phân tán không tro. Hiệu quả của các chất phân tán là kết quả của sự tác động qua lại đặc biệt giữa tác nhân được chặn và chất phân tán.
Phụ gia ức chế ăn mòn
Là phụ gia có chức năng làm giảm thiểu việc tạo thành các peoxit hữu cơ, axit và các thành phần ôxy hóa khác làm xuống cấp dầu động cơ, bảo vệ ổ đỡ và các bề mặt khác nhau khỏi ăn mòn. Có thể nói chất ức chế ăn mòn bổ sung trong thực tế có tác dụng như các chất chống ôxy hóa. Chúng bao gồm:
Di-thiophotphat kim loại( đặc biệt là kẽm).
Sunphonat kim loại và kim loại kiềm cao.
Các tác nhân hoạt động bề mặt như các axit béo, amin, axit ankylsuxinic, clo hóa parafin…
 Phụ gia ức chế gỉ
Nếu như động cơ làm việc không có thời gian ngừng lâu thì dầu nhờn làm chức năng chống gỉ tương đối tốt vì khi động cơ ngừng trong thời gian ngắn thì dầu chưa kịp chảy hết khỏi các chi tiết. Nhưng nếu động cơ ngừng lâu hoặc bảo quản lâu ngày thì xylanh, cổ trục khuỷu và các chi tiết đánh bóng hoặc mài sẽ bị gỉ. Gỉ là sự hình thành sắt hydroxit Fe(OH)2, là một dạng đặc biệt quan trọng của ăn mòn trên mặt.
Có nhiều hợp chất được dùng để ức chế rỉ như: các axit béo, các este của axit napteic và axit béo, các amin hữu cơ, các xà phòng kim loại của axit béo… thường pha vào dầu với tỷ lệ 0,1 – 1%.
Phụ gia chống mài mòn
Mài mòn là sự tổn thất kim loại giữa các bề mặt chuyển động tương đối với nhau. Yếu tố chính gây mài mòn là do sự tiếp xúc giữa kim loại và kim loại( mài mòn dính). Sự có mặt của các hạt mài( mài mòn hạt) gây ra mài mòn là do ăn mòn hay mài mòn hóa học. Để chống lại sự mài mòn, cần thiết phải cho vào các phụ gia chống mài mòn gồm các nhóm hóa chất có chứa hợp chất phôtph, hợp chất lưu huỳnh, các dẫn xuất béo có khả năng bám dính trên bề mặt kim loại nhằm giảm bớt sự cọ sát, tỏa nhiệt trong quá trình làm việc. Phụ gia chống mài mòn thường có hàm lượng nhỏ khoảng 0,01%.
 Phụ gia biến tính, giảm ma sát
Phụ gia biến tính, giảm ma sát (FM) có chức năng làm tăng độ bền của màng dầu, giữ bề mặt kim loại tách rời nhau, ngăn không cho lớp dầu bị phá hoại trong điều kiện tải trọng lớn và nhiệt độ cao.
Phụ gia biến tính FM làm giảm hệ số ma sát, bảo tồn được năng lượng, tiết kiệm được 2-3% nhiên liệu cho ôtô. Phụ gia FM được sử dụng khi cần tạo ra chuyển động trượt mà không có rung động và khi cần có hệ số ma sát nhỏ nhất.
Phụ gia FM bao gồm nhiều loại hợp chất chứa ôxy, nitơ, lưu huỳnh, molipđen, đồng và các nguyên tố khác. Các phhụ gia này làm tăng độ bền của màng dầu chủ yếu do hiện tượng hấp phụ vật lý, nhờ đó làm giảm ma sát. Phụ gia này thường được pha với tỷ lệ 0,1 – 0,3 %.
[ Phụ gia hạ điểm đông đặc
Ở nhiệt độ thấp thì khả năng lưu động của dầu sẽ giảm, vì vậy cần pha các phụ gia hạ điểm đông đặc nhằm hạ thấp nhiệt độ đông đặc của dầu. Cần cho thêm một ít parafin có lượng O.R.azolin không quá 1%.
Phụ gia ức chế tạo bọt
Bọt do không khí trộn mạnh vào dầu nhờn ảnh hưởng xấu tới tính chất bôi trơn, làm tăng sự ôxy hóa của chúng, làm dầu bị tổn thất, ngăn cản sự lưu thông của dầu trong sự tuần hoàn, gây ra hiện tượng bôi trơn không đầy đủ. Để tránh hoặc giảm sự tạo bọt người ta sử dụng các loại phụ gia chống bọt. Chúng còn được gọi là các chất hủy hoặc phá bọt. Đó là hợp chất silicon và hydro có khả năng làm tan sủi bọt nhưng tỷ lệ này rất nhỏ: 0,001-0,004%.
Phụ gia cho dầu nhờn bôi trơn là một hợp phần của công nghệ chất bôi trơn hiện đại, đặc biệt là đối với dầu động cơ.
Pha chế dầu động cơ
Vấn đề pha chế dầu động cơ là một công việc khó khăn, phức tạp, tốn kém, đòi hỏi nhiều ngành kỹ thuật tham gia, nó cũng là sức mạnh cạnh tranh của các công ty dầu nhờn. Vậy thì tỷ lệ phụ gia pha như thế nào với dầu gốc sẽ tạo ra dầu thành phẩm chất lượng cao, không những làm giảm những mặt hạn chế của dầu gốc, nâng cao phẩm cấp đối với các chất đã có sẵn của dầu và tạo cho dầu nhờn những tính chất mới cần thiết. Trong thực tế, một vài loại dầu động cơ có thể chứa hơn 20% phụ gia các loại.
Bảng: tỷ lệ, thành phần của dầu gốc và các phụ gia trong dầu nhờn thương phẩm (dầu động cơ SAE 30 hoặc SAE 40).

THÀNH PHẦN DẦU NHỜN THƯƠNG PHẨM                 Trọng Lượng, %
1. Dầu gốc                                                71,5 – 96,2
2. Chất tẩy rửa                                          2 – 10
3. Chất phân tán không tro                        1 – 9
4. Kẽm di-ankyl di-thiophotphat                0,5 – 3
5. Phụ gia chống ôxy hóa và chống mài mòn    0,1 – 2
6. Chất biến tính ma sát                             0,1 – 3
7. Chất hạ điểm đông đặc                          0,1 – 1,5
8. Chất ức chế tạo bọt                               2 – 15 ppm